안녕하세요. 정리남입니다. :)
이차전지의 value chain은 아래와 같습니다. 배터리 셀을 만드는 데 소재, 공정, 검사, 공정자동화 장비 기업들이 포함되어 있는데, 대주전자재료는 배터리셀의 '소재' 기업으로 '음극재' 소재 관련 기업입니다. 따라서 오늘은 음극재가 무엇이고 어떠한 특징이 있는지 기초부터 살펴 보겠습니다.
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이차전지 양극재의 key foctor는?
'얼마나 높은 전압을 구현하는가'와 '단위 면적당 얼마나 많은 전기를 가질 수 있는가'
이차전지 밸류체인상 양극재와 음극재란, 이차전지 양극과 음극에 쓰이는 '활물질'을 의미하며, 리튬이온 배터리에서는 양극재로 리튬원자가, 음극재로는 보통 흑연이 사용됩니다. 이 리튬이온이 양극재로 쓰이는 이유는 반응성이 워낙 크기 때문에 방전시 음극에서 전자의 방출이 용이하고, 또한 다른 활물질에 비해 전압이 높으므로 더 높은 에너지 밀도를 가져 배터리의 소형화가 가능하다는 이점이 있기 때문입니다.
우리가 배러터리 용량이 크다 혹은 작다 이야기를 많이 하죠. 그런데 이 용량에 대한 이야기를 하는 이유는 결국 '배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐'를 알고 싶기 때문입니다. 그런데 실제 배터리를 얼마나 오래 사용할 수 있느냐를 결정하는 것은 용량이 아니라 '배터리가 가진 에너지 양'입니다. (용량 = 전기의양 ≠ 에너지양)
그러데 이 배터리가 가진 에너지의 양 = 배터리의 전압 x 배터리 용량으로 결정되므로 에너지양이 커지려면 전압 혹은 전기의 용량이 커지면 되는데 리튬은 단위 면적당 용량이 다른 활물질에 비해 적더라도 구현 전압이 높아 단위 면적당 에너지의 양을 높일 수 있는 특성을 지녔습니다. 즉 에너지 밀도가 높은 것이고 같은 면적의 배터리라도 리튬이 활물질인 경우 에너지양이 더 커서 더욱 오래 사용할 수 있는 것이죠.
[정리]
- 이차전지 양극재는 리튬원자를 사용. 이유는 반응성이 커서 방전이 용이하고, 높은 에너지 밀도를 가졌기 때문에 배터리를 더욱 오래 사용할 수 있기 때문.
- 높은 에너지 밀도란, 단위 면적당 높은 에너지 양을 지녔다는 것.
- 에너지 양이란 = 전압 x 전기용량이며, 전기용량은 전자의 양임. 즉 리튬원자가 이온화되면서 방출하는 전자가 결국 전기용량을 결정함. 그래서 특정 크기의 배터리에 얼마나 많은 리튬원자가 양극에 들어갈 수 있는지(혹은 음극에 저장될 수 있는지)에 따라 전기의 양이 결정됨. 리튬이온의 단위 면적당 전기 용량이 상대적으로 적더라도 구현 전압이 큼. 따라서 높은 에너지 밀도를 구현 가능. 따라서 배터리의 양극재의 key factor는 바로 배터리의 용량과 평균 구현 전압 인것 같습니다.
이차전지 양극재의 key factor는?
음극재가 가진 '전기 밀도' > '구조적 안정성' > '초기효율' > 낮은 원가로 판단
그렇다면 음극재의 key factor는 무엇일까요 ?
음극재는 보통 탄소(C)로 결정된 흑연을 활용한다고 합니다. 그런데 충전 시 양극에 있던 리튬원자가 이온화되어 전해액을 통해 분리막을 거쳐 양극에서 음극으로 넘어가면 이 리튬이온을 음극에서 붙잡아줘야 하는데 그 역할을 음극재인 흑연이 하는 것이고, 이때 탄소 6개로 리튬이온 1개를 잡아줄 수 있다고 합니다.
이 말의 의미가 중요한데, 흑연의 구조는 탄소 6개로 구성된 육각형의 구조를 띄고 있기 때문에, 제한된 음극의 너비에는 한정된 흑연의 양이 포함될 수 있어, 결국 한정된 양의 리튬이온만을 잡아둘수 있기 때문입니다. 한정된 리튬이온을 저장해 둘수 있다는 것은, 충전 가능한 배터리 용량에 제한을 줄 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 만약 음극재 역시 단위 면적당 넣을 수 있는 양이 즉 밀도가 높은 음극재를 사용한다면 전기의 용량을 더욱 높일 수 있을 것입니다.
또한 기존 흑연보다 리튬이온을 저장할수 있는 공간을 적게 차지하는 (=밀도가 높은) 음극재가 있다면 같은 용량이라도 음극재가 차지하는 면적이 줄어들어 리튬이온이 양극에서 음극으로 이동하는데에 거리가 짧아질 수 있는데, 이는 충전속도를 보다 빠르게 할 수 있다는 것을 의미합니다.
흑연의 경우, 배터리의 수명과도 연관이 된다고 하는데요, 방전될때마다 이 흑연이 가지고 있는 육각형 모양의 탄소 구조가 조금씩 틀어지게 되면서 리튬이온을 잡아둘수 없게 되는데, 이는 결국 충전을 해도 충분한 리튬을 저장할 수 없다는 것이므로 이차전지의 성능, 수명이 줄어 든다는 것을 의미하기 때문입니다.
따라서 실제로 음극재로 사용되는 천연 흑연보다 인조흑연이 더욱 배터리 수형을 증가시킬 수 있고, 흑연이 아닌 실리콘 음극재로 사용할 경우에는 흑연보다 더 적응 양의 탄소로 리튬이온을 저장할 수 있으므로 단위면적당 전기의 저장용량이 높아져 급속 충전을 구현할 수 있다고 합니다. 따라서 음극재의 경우 기존 흑연에서 실리콘을 조금씩 흑연에 첨가하는 방식으로 기술개발이 진행되고 있는 실정입니다. 실리콘계 음극재로 바로 넘어가는게 아니라 기존 흑연계 음극재에 소량 첨가하는 방식으로 상용화되는 이유로는 실리콘의 경우 에너지 밀도 상승으로 급속 충전을 구현할수 있는 장점이 있지만 충방전시의 실리콘 구조 팽창등에 따른 변형으로 수명이 단축된다는 단점이 있기 때문이라고 하네요.
[정리]
- 음극 활물질은 크게 '흑연계', '실리콘계'으로 개발되는 것으로 보임.
- 천연 흑연은 탄소 6개 당 리튬이온 1개를 저장가능하므로 전기 밀도가 상대적으로 낮기 때문에 전기 밀도를 높이기 위해 발견된 음극재는 실리콘계 음극재에 해당.
- 하지만 실리콘계 음극재는 충방전시 구조의 변형이 상대적으로 크고 초기 효율이 좋지 않아 흑연계 활물질에 실리콘계 음극재를 조금씩 첨가하는 방식으로 기술개발을 하고 있음.
- 초기효율이란, 배터리를 제조 후 초기에 충/방전을 한 이후 실제 사용가능한 배터리 용량이 달라질 수 있는데 이 효율을 말함. 예를들어 3000mAh 용량의 배터리 초기 충방전 효율이 90% 라면 첫 충방전 이후 배터리의 용량은 2700mAh로 낮아지게 되는 것. 흑연계 음극재의 충방전 효율은 90% 이상인 반면, 실리콘 음극재는 80% 수준이라고 함
(주)대주전자재료는 이차전지의 음극재를 생산하는 소재기업으로 알려져 있습니다. 아래는 사업 내용의 일부를 발췌한 것이며, '실리콘계 음극재'는 다시 세가지로 나누어 기술개발 되고 있다고 하니다.
위에 실리콘 음극재가 나오는데, 순수한 실리콘의 경우 공정 과정상의 제조원가가 저렴하고, 초기 효율이 높지만 위에서 언급드린 것처럼 실리콘 팽창 문제에 따른 배터리 수명 이슈로 '결국 가야할 방향이긴 하지만 조금더 기술개발이 필요한 소재'이고 Si-C는 실리콘에 탄소를 결합해만든 음극재 소재인데, SiOx에 비해 상대적으로 저렴하고 초기 효율도 높습니다만 이것 역시 충방전시의 팽창도 측면에서 SiOx 보다 못하다는 단점이 있다고 합니다. 따라서 공정상의 난이도로 가격이 비싸고 초기효율이 떨어지지만 배터리 수명적으로 팽창에 가장 안정적인 SiOx 계 음극재 소재에 대한 평가가 좋은 것 같습니다.
[정리]
- 음극재에서는 용량을 높이기 위해 실리콘계 활물질을 흑연계 활물질에 첨가하여 기술개발중.
- 하지만 실리콘계 음극재는 그게 세 가지로 구분되는데, 초기 효율 / 제조원가 / 구조적 안정성 측면에서 장단점이 있음.
- 이 중 구조적 안정성이 배터리의 수명을 결정하므로 중요한 요소라 생각되며, 그 다음은 초기 효율. 초기 효율은 기술적으로 개선의 용이성이 있는 편 같음. 그 다음은 제조원가에 해당.
- 따라서 음극재에서의 중요한 key factor를 뽑아본다면 '음극재가 가진 전기 밀도' > 구조적 안정성 > 초기효율 > 낮은 원가로 판단됨.
결국 음극재의 방향은 '퓨어 실리콘'으로 가는것 아닐까요?
실리콘을 소량 첨가하는 지금의 상태에서 점점 그 비중을 늘려 나가야 에너지 밀도가 커지고, 급속충전도 용이할 테니까요. End user 입장에서 에너지 양과 급속충전. 나아가서는 배터리의 수명 이 세가지가 중요한 품질 요소가 아닐까 생각해 봅니다.
아무튼 이러한 산화실리콘계 음극재에서 처음으로 상용화 선공한 국내기업이 대주전자재료라고 합니다.
대주전자재료의 음극재는 이러한 실리콘산화물을 소재로 사용하여 개발된 제품이라하고, '23년도부터 초기효율과 용량을 보다 높인 3세대 제품군이 양산되고 있는 모양입니다. 현재 실리콘 음극재 생산능력은 3,000톤 규모이며 '27년까지 13,000톤까지 늘릴 계획이라고 하네요. (23년 사업보고서 기반)
실리콘 음극재 사업은 자본집약적 사업으로 선제적인 시설투자를 통해 고객사 물량 소화. → 이를 기반으로한 M/S 선점의 선순환이라는 효과를 볼 수 있을 것으로 예상됩니다만, 전기차 시장의 전망 등을 함께 고려할 필요가 있어 보입니다.
Valuation
이차전지 산업의 주요 player들은 아래와 같습니다.
대주전자재료는 이중 음극재 sector에 해당하는 기업으로 국내 peer group으로는 한솔케미칼, SK머티리얼즈가 있습니다.
3/29 종가기준으로 해당 업체들의 multiple 수준을 조사해보면 아래와 같습니다. 대주전자재료의 EBITDA 배수는 x105, P/E배수는 x 264로 업계 평균, 음극재 sector 평균보다도 크게 고평가 되어 있는 실정입니다.
따라서 peer group과의 비교 말고, 대주전자재료 자체의 historical multiple(평균) 중, EBITDA 배수 x67와 '24년 네이버 컨센서스 기반으로 주가를 도출해보면 현 주가 92,700원 대비 약 27%의 상승여력이 있는 118,000원 수준으로 파악이 되었습니다. 이는 컨센서스의 성과를 낸다는 가정하에 과거 평균 주가를 기반으로 산출된 '24년에 예상되는 '평균 주가''에 해당합니다.
P/E(배)의 경우, '22-23년도가 지나치게 높은 outlier는 제외하였으나, 컨센서스 당기순이익 기반으로 예상주가를 산출하면 37,807원 수준으로 주가가 1/3토막 나게 되어 예상주가 결과로 편입하진 않았습니다.
정리
이번 포스팅에서는 이차전지 음극재의 중요한 부분이 무엇인지, 이차전지의 Player들은 어떠한지, 음극재와 관련된 대주전자재료의 예상 주가까지 살펴 보았는데요, 모든 내용은 개인적인 공부 차원의 글이고, 특히 기술적 내용에 대해서는 전문성있게 다루고 있진 않습니다. 참고 하시길 바랍니다.
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